液压支架虚拟压架试验研究

1、液压支架虚拟压架试验研究郑兰芳1,2(11中国人民武装警察部队学院,河北廊坊065000;21西安科技大学,陕西西安710054摘要压架试验是检测液压支架设计是否合理,液压支架是否可以投入生产的必要手段。传统的液压支架压架试验耗时耗材,应用有限元方法模拟压架试验工况,计算得到数据较多,提高液压支架设计水平。此方法结合某型号液压支架的传统压架试验,得到结果比较满意,可以推广。关键词液压支架;虚拟;压架试验;有限元分析Research on V i rtua l Crush i n g Test for Powered Support收稿日期2010-06-22作者简介郑兰芳(1977-,女,河北

2、廊坊人,讲师,西安科技大学,硕士研究生。液压支架架型和参数的选择取决于开采煤层的地质条件、生产能力规模以及相配套的采煤机和刮板输送机等设备。传统的液压支架设计主要采用经验设计和类比设计来进行,支架设计完成后,试制样机,然后依据中华人民共和国煤炭行业标准MT312-2000液压支架通用技术条件,进行压架试验,压架试验通过,证明设计合格可以量产;若不合格则要修改设计图纸,再生产样机,进行压架试验,如此反复。虚拟试验方法,是在产品设计阶段,在计算机中模拟压架试验工况,进行有限元仿真分析,全面地了解支架结构的应力、应变和位移。根据分析结果,找到应力危险区域以及结构中刚度薄弱的部位,进行数值模型与设计方

3、案的对比修改,从而以最短的周期、最低的成本支持产品设计,并为进一步改善液压支架结构的受力情况、改进结构、减小支架重量提供一定的理论依据。1压架试验研究111液压支架模型建立三维模型的建立过程对比于二维工程图纸相对复杂,但是能更好的表达真实的模型构造,因此,使用CAD 软件进行三维实体模型设计成为必然趋势。液压支架的三维零件实体模型建立完成后,对各个零部件进行虚拟装配。装配过程就可以检查液压支架静态条件下各零件之间是否有干涉,是否合乎设计要求。如果出现问题,可以根据需要对生成的零件和特征进行修改,直到达到液压支架设计要求为止。这种三维模型的建立提高了设计效率,是产品快速设计的重要途径。112强度

4、试验液压支架的试验以MT312-2000液压支架通用技术条件为依据,主要试验内容包括外观质量检测、操作性能检测、密封性能检测、支护性能检测、强度试验和耐久性试验。强度试验的加载方式包括顶梁两端集中载荷、顶梁扭转、顶梁偏载、顶梁中部集中载荷、底座两端集中载荷、底座扭转、柱窝加载、顶梁加载等。根据多年多次压架试验情况,知道液压支架最危险的受力工况为顶梁偏载、顶梁扭转、底座扭转。强度试验时,支架放置在内加载试验台内,试验台调整到支架试验高度。顶梁偏载试验时,支架高度为支架最低高度加300mm ,其余项目试验时,支架高度为支架最大高度减去支架总行程的1/3。对于试验液压支架,最低最高采高分别为1800

5、mm 和3200mm ,因此,顶梁偏载试验高度为2100mm ,其余试验高度为2733mm 。试验前,测量顶梁上平面,底座侧面的下边缘的原始挠曲度,以及顶梁中心线相对底座中心线在水平方向上的偏离量。对主体结构件的强度试验有多种工况,试验方法为立柱内加载,只对几种极易破坏的加载方式进行研究。图1、图2、图3分别列出了顶梁偏载、顶梁扭转、底座扭转加载方式。图1中顶梁偏载加载垫块应具有铰接结构,试验压力为111倍的额定工作压力。图2、图3中顶梁偏载与底座扭转试验压力为112倍的额定工作压力。3个图中a =150mm ;b =200mm ;c =300mm ;L 1=15002000mm 。进行以上各

6、种试验之后,主体结构件不得有焊9第15卷第4期(总第95期2010年8月煤矿开采Coal m ining Technol ogy Vo1115No 14(Series No 195August 2010 图1 顶梁偏载加载图2 顶梁扭转图3底座扭转加载缝和母材的开裂;顶梁和底座相对残余变形量应不大于014%;顶梁中心线相对底座中心线偏移角度变化量应不大于3;其他部件不得有损坏和有影响使用的变形。2虚拟压架试验研究211有限元分析前处理对于有限元分析来说,需要完成3个步骤,即前处理建模、求解和后处理。前处理是指网格划分和各种数据定义,包括材料性质、约束边界条件等。本套液压支架模型最终划分为203

7、80个单元,16533个节点的8节点体单元、134245个单元,122742个节点的4节点壳单元,如图4所示 。图4液压支架网格模型材料的定义液压支架各种板材材料主要是Q550,柱窝柱帽的材料是ZG27Si M n 。表1分别列出了Q550,ZG27Si M n 材料的力学性能。表1Q550,ZG27Si M n 材料的力学性能钢牌号s /MPab /MPaQ550550670830ZG27Si M n835980约束的定义根据图1图3中的工况分别设置相应的约束,将垫块作为约束边界处理,将所有垫块的约束都设置成U x ,U y ,U z 位移移动为0。约束垫垂直平动自由度U y ,这是考虑到垫

8、块与顶梁,垫块与底座充分接触,位移很小,几乎等于零的缘故;约束垫块侧向平动自由度U z ,这是考虑试验加载时,支架两边都施加约束,约束住了其侧向移动;约束垫块水平平动自由度U x ,这是考虑到在强的约束条件下,计算出来的结果偏于保守,相对安全的缘故。载荷的定义液压支架试验的加载是通过立柱实现的,由于将垫块作为结构的边界约束条件来处理,因此,对于两柱掩护式液压支架,其外载便只有2根立柱对顶梁柱帽和底座柱窝所加的载荷。立柱对顶梁柱帽和底座柱窝载荷是属于复杂的接触力,在有限元软件里把其只当作一般的力直接加在柱帽和柱窝上。对于试验液压支架,工作阻力为8700kN,平均到单个立柱的支撑力P e 为435

9、0k N 。顶梁偏载,试验压力为111倍的额定工作压力,力的方向同铅垂重力方向呈11135。则柱帽水平受力P 水1为:P 水1=111P e sin=942(kN 则柱帽铅垂方向受力P 垂1为:P 垂1=111P e cos=4691(kN 顶梁扭转,底座扭转,试验压力为112倍的额定工作压力,力的方向同铅垂重力方向呈7185夹角。柱帽水平受力P 水2为:P 水2=112P e sin=713(kN 则柱帽铅锤方向受力为:P 垂2=112P e cos =5171(kN 212结果分析以下是依据压架试验标准而进行的有限元分析结果,图5显示了顶梁偏载应力,最大应力为698MPa;图6显示了顶梁偏

10、载位移图。最大位移变形为9107mm 。图7显示了顶梁扭转应力,最大应力为802MPa;图8显示了顶梁扭转位移值,最大位移变形为1612mm 。19郑兰芳:液压支架虚拟压架试验研究2010年第4期 图5 顶梁偏载应力图6 顶梁偏载位移图7 顶梁扭转应力图8顶梁扭转位移图9显示了顶底座扭转应力,最大应力为835MPa;图10显示了底座扭转位移值,最大位移变形为1912mm 。图9 底座扭转应力图10底座扭转位移通过对液压支架极易破坏工况强度试验分析,从以上图中可以看到,所有的结果都显示结构最大应力并没有超过材料的极限抗拉强度,因此,液压支架不会发生一次过载大而断裂的工况。有限元分析结果也显示最大

11、应力与材料的屈服极限相当,甚至超过了屈服极限,最大应力基本发生在顶梁柱帽与加强板处,这是与实际压架试验情况相符合的。此型号液压支架的压架试验数据显示,试验后,焊缝与母材无开裂;顶梁变形量0101%;底座变形量0116%;偏移角度变化量0113;其他部件无损坏。顶梁和底座的相对残余变形量和偏移角度进行测量,验证其合理性。3结论(1与基于试验的传统方法相比,有限元计算能够提供零部件的应力分布图,可以在设计阶段判断液压支架零部件的薄弱位置,通过修改初始设计可以避免不合理的应力分布,为实际的工程应用提供依据。(2由于在有限元分析时设置的刚性位移约束,使得部分零部件应力集中较大,这是不符合实(下转94页

12、29111单独控制控制阀打向单独拉架位置,高压乳化液通过1,到达差动阀接口3,通过液控口打开4回路,然后到达接口5,高压液将钢珠推向右侧,封住通往接口7的通路,高压液从接口6出来进入推移千斤顶杆腔,使推移千斤顶收缩,带动支架实现移架动作,推移千斤顶下腔乳化液一路通过接口4回回路,一路通过交替阀接口9,到10,对定量缸充液,如果定量缸已充满液,则乳化液只通过4回回路;控制阀打向单独推溜位置,高压乳化液通过2,到达差动阀接口4,然后从4到达8,7和9,进入9的乳化液由于钢珠的作用去往11的通路封闭,只能通过10进入定量缸上腔充液,由于充液已满,这一路也封闭。到达8的乳化液进入推移千斤顶下腔,同时一

13、部分乳化液通过7进入6,进入推移千斤顶杆腔,由于杆腔面积比缸腔小,产生的向后的推力比向前的推力小,活塞杆会伸出,带动支架实现推溜动作。112成组定量推进控制阀打向成组推溜位置,高压乳化液通过14,到达定量缸下腔接口12,推动定量缸内的活塞移动,定量缸的上腔内乳化液从定量缸上腔出来进入交替单向阀接口10,由于钢珠的作用向11去的通路封闭,乳化液从9接口出来通过差动阀,由于单向阀的作用,高压液只能流向7和8,这时的动作同单独推溜相同,实现支架的推溜。由于定量缸内所能容纳的介质体积一定,从而使得推溜的步距一定;控制阀打向成组充液位置,高压乳化液达到11,将钢球推向9,封闭住通路,乳化液通过10进入定

14、量缸实现对定量缸的充液。由于成组推溜与成组充液同时并联1020组,从而实现10 20组的定量推溜和充液。2成组定量推进系统的应用在保证采煤机体积小、功率高的前提下减小滚筒截深,降低截割力矩。为不影响生产效率,降低井下工人的劳动强度,不是每次割煤后都移架,而是采用截割2次后整体移架1次的采煤工艺,这就需要每次推移步距要定量。另外,为提高生产效率,降低工人操作控制阀的次数,提高推溜铲煤效果,要求1个支架能够控制1组支架(20架或30架不等。为满足这种工艺要求,将成组定量推进系统应用于ZY2600/615/16型掩护式液压支架上,控制方式采用液压邻架先导控制与成组定量控制相结合,平均移架速度9s/架

15、,移架操作方便。工作面采用ZY2600/615/16型支架支护顶板。初采时截深0145m,推2次溜移1次架。采煤机第1循环割煤,新暴露的顶板如完整,无特殊地质构造,且支架梁端距不大于017m时,可以不移架。当采煤机进行第2次割煤时,采用跟机移架的方式,对新暴露顶板进行及时支护,支架滞后采煤机后滚筒23架带压擦顶移架。如出现顶板破碎时,超前拉架,对割煤新暴露的顶板进行支护,确保支架梁端距不大于014m。正常情况下采煤机割煤1刀移架1次、推溜1次,即割煤移架推溜,使用成组定量推进技术,移架步距与截深相同。经过2009年2月至7月、11月至12月,2个阶段在兖矿集团公司杨村煤矿2个工作面进行验证,均

16、达到了预想的要求。3结论通过工业试验,成组定量推进系统的应用,实现了支架的成组推进和定量推进2大功能,满足了含硫化铁硬夹矸薄煤层综采工艺对于支架的功能要求,达到了预想的设计要求,解决了含硬夹矸薄煤层综采难题,该系统通过调整定量缸的行程,可以实现不同的推进步距。责任编辑:王兴库(上接92页际情况的。但是这种设计方法较保守,能够满足液压支架强度要求。参考文献1刘凤翔1两柱掩护式液压支架适应性试验研究J1煤矿开采,2006,11(4:75-7812张继春,等1CA488活塞的强度分析及结构改进J1机械强度,2007,(293:501-50613李长江1液压支架的计算机辅助工程分析D1济南:山东大学,200514袁晓光1液压支架技术